LNG超低温上装式三偏心蝶阀温度场分析

匡茜茜 韩雪峰 韩 栋

（江苏苏盐阀门机械有限公司，滨海 224500）

阀门设计与分析的目的是确保阀门在运输和传递介质中不发生泄漏，满足密封要求。在超低温工况下，液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）具有易燃易爆、黏度低、渗透性强等特点，十分容易发生泄漏。而超低温阀门的工作温度极低（77 K），因此在设计这类阀门时，除了应遵循一般阀门的设计原则，还有一些特殊的要求。其中重要的就是要求阀门的结构应保证填料在0 ℃以上的环境温度下工作，以发挥保护填料函的功能[1]，填料函的密封性是低温阀设计的关键，若该处有泄漏，将造成填料与阀杆处结冰，从而影响阀杆的正常操作，同时会因阀杆上下移动而将填料划伤，从而引起严重泄漏[2]。LNG超低温上装式三偏心蝶阀发生泄漏的位置主要有两处，分别为填料函处和长颈阀盖与阀体连接的法兰处。在实际工作中，填料函处的泄漏最为常见[3]。为预防填料函结冰，应保证填料函温度不小于0 ℃，因此从传热角度对LNG超低温上装式三偏心蝶阀进行传热过程分析就显得十分必要[4]。

1 传热过程分析

在LNG超低温上装式三偏心蝶阀的结构组件中，由于环境温度远远高于该组件的底部温度，环境中的热量会先由空气传给阀杆上端和长颈阀盖及其他部件，随后经过阀盖与阀杆之间的缝隙进入填料函并到达阀杆内部，最后热量经阀盖和内部阀杆向下传递，而底部冷量会由阀盖和内部阀杆向上传递。由于超低温蝶阀滴水盘以下的阀盖部位及阀体都有绝热材料保护，可以忽略绝热材料覆盖部位的外部热量和内部冷量与绝热材料的热交换。另外，因为滴水盘增大了长颈阀盖与环境空气的对流换热面积，强化了换热程度，且冷热量的交换主要发生在滴水盘处，所以当冷量和热量传到滴水盘处时，就会产生冷热量交换，从而阻止冷量继续向上传递，起到保护填料的作用，同时还能降低阀盖及阀杆的温度。

2 LNG超低温上装式蝶阀的温度场分析

2.1 模型建立

建立实体模型是有限元数值仿真分析的基础[5]，本文依据实际工况设计出LNG超低温上装式三偏心蝶阀的结构，确定了相关尺寸并进行了建模。三维实体模型由阀体、阀杆、蝶板、长颈阀盖、滴水板和填料函等部分构成。为减少计算量，对所建模型进行了适当的简化，LNG超低温上装式三偏心蝶阀开启状态时的模型如图1所示。

2.2 材料属性设置

考虑到材料的耐低温特性和成本，设计采用的材料为奥氏体不锈钢ASTMF316，因此只需要设置单一材料的性能参数。根据美国机械工程协会标准 《ASME锅炉及压力容器规范》第Ⅱ卷D篇[6]，其材料参数如表1所示。

表1 材料参数

2.3 单元网格的划分

由于零件几何结构较为复杂，需要选用四面体网格并选取适当尺寸。划分后的有限元模型有包含35 176 个节点，77 789个单元，如图2所示。

2.4 温度及边界条件的设置

介质液氮的工作温度为-196 ℃，环境温度为22 ℃。 当阀门处于开启状态时，设置边界条件如下：阀体内壁、阀座、阀瓣及阀盖法兰下表面的温度为-196 ℃；由于超低温蝶阀的滴水盘以下阀盖部位及阀体都有绝热材料保护，可以忽略绝热材料覆盖部位的外部热量和内部冷量到绝热材料的热交换。冷热量的交换主要发生在滴水盘处，因此滴水盘及以上的部分与空气自然对流换热，设置热对流系数为12 W·m-2·℃-1，环境温度设为22 ℃。蝶阀的温度及对流边界条件设置如图3所示。

2.5 结果分析

通过有限元分析计算，得到如图4所示的LNG超低温上装式三偏心蝶阀开启状态下的温度场分布云图。对整个装配体进行温度场分布的分析可得，阀门温度从阀盖法兰部分沿轴向逐渐上升，滴水盘从基部开始沿径向温度逐渐升高。

对阀杆温度场进行模拟求解，得到阀杆中心线温度分布云图，如图5所示，可见阀杆在阀体部分的温度为-196 ℃，随后在法兰部位及向上部分温度逐渐升高，最高温度为21.18 ℃，提取阀杆中心线温度分布云图数据画出温度分布曲线图，如图6所示。

对蝶阀填料函外壁温度场进行模拟求解，得到填料函外壁温度分布云图，如图7所示。可见填料函外壁向上温度逐渐升高，最高温度为15.050 0 ℃，最低温度为4.826 6 ℃，提取填料函外壁温度分布云图数据画出温度分布曲线图，如图8所示。

3 导热系数对阀门温度场影响因素分析

阀盖的温度分布主要受导热和热对流的影响，材料的导热系数大小对分析低温阀门的温度分布起到至关重要的作用。由于阀体的温度较低，冷量的传递主要依靠导热传给阀杆以及填料函等部件，因此需要改变材料的导热系数模拟出阀杆的温度分布，本次模拟将材料的导热系数降低10%，得出了5组不同导热系数下的温度分布。此时需要改变材料导热系数，得出模拟温度分析的结果。取5种不同导热系数（7.60、6.84、6.08、5.32、4.56）来模拟分析填料函底部温度，得到拟合曲线如图9所示。

从图9可以看出，采用导热系数较低的材料有利于提高填料函底部的温度，这是因为随着导热系数的增加，整个阀盖结构的热阻减小，从阀体传递给阀杆的冷量逐渐增大，相应填料函底部的温度逐渐降低，当填料函底部的温度低于0 ℃时可能会影响阀杆的操作。因此，在设计低温阀门时，阀门应尽量选取导热系数较低的材料。

4 结论

针对全球能源危机及我国环境污染减缓经济发展的现状，天然气作为一种清洁能源将成为我国大力发展的新能源。因此，LNG的运输装置、储存装置及其关键配套设备的研发及应用显得极其重要，本文以LNG关键配套设备之一的LNG超低温上装式三偏心蝶阀为研究对象，从传热过程、温度场分布的角度对其进行了相关研究，具体所得结论如下：

（1）LNG超低温上装式三偏心蝶阀温度场中，温度从阀盖法兰部分沿轴向逐渐上升，滴水盘温度从基部开始沿径向逐渐升高，冷热量的交换主要发生在滴水盘处，能够阻止冷量继续向上传递，从而起到保护填料的作用；

（2）阀杆温度分布在阀体部位恒为-196 ℃，随后在法兰部位及向上部分温度逐渐升高，最高温度为21.18 ℃；

（3）通过填料函外壁温度分布云图可以发现，填料函外壁温度分布由底部向上温度逐渐升高，最低温度为4.826 6 ℃，但填料函的密封性能不会受到影响，超低温球阀的密封性能也可以得到保证；

（4）通过利用有限元分析的方式对该LNG超低温上装式三偏心蝶阀进行温度场分析，并讨论了材料的导热系数对该阀温度场的影响，得出填料函底部温度会随导热系数的减小而升高，因此降低导热系数有利于提高填料函底部的温度，从而提高阀门的密封性能。